CN103251494A - 主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，包括力反馈驱动器以及手指外骨骼机构，力反馈驱动器包括壳体、电机以及磁流变液阻尼器，在电机和磁流变液阻尼器之间通过联轴器连接有一转动轮，在该转动轮上缠绕有一牵引绳；手指外骨骼机构包括支架、直线导轨以及手指固定结构，在直线导轨上设置有滑块，该滑块与牵引绳连接；在滑块上固定有一第一连接块，在第一连接块的下端转动连接有一L型的曲柄，曲柄的另一端转动连接有一中指节块，该中指节块另一端通过一第二连接块连接在手指固定结构上。本发明手指外骨骼结构采用了类似平面四杆机构的曲柄滑块机构，不仅能实现给定的运动规律，而且运动轻便，传动效率高。

Description

主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置

技术领域

本发明涉及一种用于实现主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置。

背景技术

人手是身体最容易损伤的部分之一。在创伤病例中，手外伤占很大比重。据调查显示，手外伤比例是15.0% ~ 28.6%。由于手部结构比较精细，小肌肉遍布全手，导致手部损伤治疗的要求较高，难度很大，而我国缺乏相应的单手指康复治疗设备，致使很多手外伤患者不能及时得到康复治疗。因此，单手指康复在整个康复医学体系中的地位日趋重要。

手部的功能要通过手指的灵活运动来完成，而手指的运动障碍主要由两种情况产生：车祸、骨折等意外事故和中风等疾病。临床上手外伤手术后多需将患指固定于功能位、休息位或某一特殊体位3-4周。致使淤积于关节内肌腱周围的淤血形成纤维变性，这就直接导致手指关节及肌腱的粘连，在不同程度上影响患指的功能。近年来，手外科的临床医生已经对这种情况予以高度关注，并积极寻找解决办法。以往临床单手指康复治疗主要靠医生和患者一对一的物理理疗，这种治疗方法不仅耗时费力，而且治疗效果不明显，目前这种治疗方式正在发生变化，转变为依靠单手指康复训练运动来达到治疗目的。

目前存在的手指康复训练训练设备，大多数是由电机、压缩空气、电磁等驱动的主动型装置，主动型装置具有灵活多变的特征，可以用于手指的主动或被动康复训练，但主动型力交互设备稳定性、安全性相对较差，特别是出现故障时很容易失去控制，患者的手指本身力量相对，因此对手产生二次伤害的可能性很大。由于主动型力交互装置存在上述问题，故有研究者尝试在手康复训练装置中引入被动力觉驱动器。虽然被动力觉驱动器没有上述缺点，但当其用于患者手部康复训练时无法主动施加力于患者，即不能实施对患者的被动训练，需要主动驱动器实施对患者的被动训练，因此将磁流变液力觉驱动器与主动驱动器相结合研究主/被动混合驱动器用于手指康复训练将是有益的尝试。

目前已有一些主/被动驱动器联合驱动的手指康复训练装置，但是结构都比较简单，特别是已有的外骨骼式手指康复训练装置还没有实现主/被驱动器联合驱动。然后外骨骼式的康复训练装置是最为灵活的手指康复训练装置，所以研制出基于主/被驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置具有重大意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术存在的不足，而提供有一种结构简单、活动机构运动轨迹与真实手指运动轨迹一致的且使用方便的主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于实现主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，包括力反馈驱动器以及手指外骨骼机构，其中力反馈驱动器包括壳体以及设置在壳体两端的电机和磁流变液阻尼器，其特征在于：在所述电机和磁流变液阻尼器之间通过联轴器连接有一转动轮，在该转动轮上缠绕有一牵引绳；所述的手指外骨骼机构包括支架、设置在支架上端的直线导轨以及设置在支架下端的手指固定结构，在所述的直线导轨上设置有滑块，该滑块与所述的牵引绳连接；在所述的滑块上固定有一第一连接块，在第一连接块的下端转动连接有一L型的曲柄，曲柄的另一端转动连接有一中指节块，该中指节块另一端通过一第二连接块连接在所述的手指固定结构上。

在所述的直线导轨的末端还设置有一滑轮，所述的牵引绳绕过该滑轮并与所述的滑块连接。

所述的手指固定结构包括近指节块和指环，所述指环固定在所述近指节块上。

所述的壳体由底板及固定在底板上的右支架、左支架和挡板组成，在所述的右支架的另一端固定用作角度传感器的编码器；在所述的曲柄上装有力传感器。

所述的曲柄与中指节块之间，以及曲柄与连接块之间通过轴承相连。

所述的滑块和直线导轨为MR微型滚柱线性滑块和导轨，可以有效降低系统摩擦。

本发明主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置包括由力反馈驱动器和手指外骨骼机构。力反馈执行器包括一个壳体，一个磁流变液阻尼器，一个编码器，一个电机，两个联轴器，一个转动轮，一根轴。手指外骨骼机构包括一个中指节块，一个曲柄，两个轴承，两个连接块，一个滑块，一个直线导轨，一个滑轮，一个支架，两个指环，一个力传感器，一个近指节块。力反馈驱动器中的转动轮上缠绕着牵引绳绳，牵引绳连接手指外骨骼机构中的滑块，转动轮转动带动滑块移动，实现手指关节弯曲运动。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.  手指外骨骼结构包括位于直线导轨上的滑块、第一连接块、曲柄、中指节块以及第二连接块，这种机构的设计采用了类似平面四杆机构的曲柄滑块机构，设计的平面连杆机构，不仅能实现给定的运动规律，而且运动轻便，传动效率高。使用硬铝合金材料加工，强度高，重量轻，可靠性好。

2.  通过合理设计曲柄滑块机构，控制滑块有效滑动距离，实现手指关节弯曲，确保系统的安全性能。

3.  曲柄滑块机构中，曲柄与滑块之间用轴承连接，滑块采用MR微型滚柱线性导轨配套的滚珠滑块，可以有效降低系统摩擦。

4.  用磁流变液组合电机作为力反馈设备，能够实现主/被动驱动器联合驱动，电机作为主动驱动器，磁流变液作为被动驱动器，两者组合实现混合控制。

5.  用磁流变液组合电机作为力反馈设备，由于电机具有超调性特征，要经过上下波动过度到稳定状态，磁流变液各参数能够平滑地过度到稳定状态，磁流变液本身具有耗散性特征，与只有电机驱动的力反馈设备相比较，稳定性较好。

6.  在主/被动联合驱动器驱动下能够实现主/被动结合的手指康复训练。

附图说明

图1是本发明力反馈驱动器的结构示意图。

图2是本发明手指外骨骼装置的结构示意图。

图3手指部分伸直状态示意图；  

图4手指部分弯曲状态示意图。

其中：1、编码器，2、磁流变液阻尼器，3、电机，4、右联轴器，5、转动轮，6左联轴器，7、轴，8、挡板，9、右支架，10、左支架，11、底板，31、中指节块，32、曲柄，33、轴承，34、连接块，35、滑块，36、直线导轨，37、滑轮，38、支架，39、指环，310、力传感器，311、近指节块，312、牵引绳，313、第二连接块。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

如图1、图2所示，一种用于实现主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，包括反馈驱动器和手指外骨骼机构两个部分，其中反馈驱动器包括底板11及固定在底板11上的右支架9、左支架10和挡板8组成的壳体，在右支架9的一端固定用于产生阻尼力的磁流变液阻尼器2，在右支架9的另一端固定用作角度传感器的编码器1，在左支架10的一端固定用于提供动力的电机3，磁流变液阻尼器2通过右联轴器4与转动轮5相连，电机3通过左联轴器6与转动轮5相连，所述的编码器1、电机3以及磁流变液阻尼器2都通过轴7连接为同心轴，转动轮5上缠绕牵引绳312，牵引绳一般选钢丝绳，钢丝绳与连接块34和滑块35相连，连接块34通过曲柄32与中指节块31相连，滑块35安装在直线导轨36上，该直线导轨36一端固定在支架38上，另一端固定滑轮37，支架38固定在近指节块311上，近指节块311上可以安装指环39用于固定手指。在曲柄32上装有力传感器310。在曲柄32与中指节块31之间，以及曲柄32与连接块34之间通过轴承33相连。在滑块35和直线导轨36为MR微型滚柱线性导轨和滑块标准，可以有效降低系统摩擦。

手指外骨骼机构结构参数设计：

人手的大小粗细因人而异，很难做到使手指康复训练系统对于男女都适合，因此下面所设计的康复训练系统以实验室课题组人员为样本，以表1所示中国人均手指长度统计值为参考，食指的近指节为50.1mm，中指节为30.6mm，远指节为24.1mm。

表1 手指长度统计均值

长度	拇指	食指	中指	无名指	小指
						近指节	49.8	50.1	53.9	52.4	43.7
中指节	39.2	30.6	33.5	32.8	25.8
						远指节	29.9	24.1	25.2	24.8	22.6

本发明所设计的手指部分需综合考虑人手的长度，滑块的运动区间，通过控制滑块的运动范围来保证手指康复训练的安全性能，并能够满足手指做0 ～90°弯曲运动康复训练的要求，如图3、4所示的手指康复结构，近指节设计为48mm的长度刚好能满足要求，计算过程如下所示。

如图3所示，为手指伸直状态的结构示意图，其中S1是连接中指节块与曲柄的轴承到中指节块上轴承的距离，S2是中指节块上轴承到中指节块与近指节块连接轴承的距离，S3是中指节块与近指节块连接轴承到近指节块上平面的距离，H是直线导轨到近指节块上平面的距离，L1是型曲柄长边的长度_，L2是L型曲柄短边的长度。已知的尺寸有S1 = 17mm ，S2 = 14.5mm，S3 = 12mm，H = L2 + 5mm，由近指节的长度可以推算出 L1  = 46mm，其中L2未知。

如图4所示，为手指弯曲到90°时，手指部分结构示意图，由图4可知，直角三角形A和直角三角形B有一条公共的斜边，故可利用直角三角形的边长公式来求得L2的值，计算公式为：

将数据代入公式得L2 = 13.5mm，H = 18.5mm，由此可以确定手指部分结构的长度尺寸。

表2手指宽度统计均值

参数	食指	中指	无名指	小指
					指节宽度	20	22	20	18
指节高度	16	18	16	14

 

如表2所示的中国人均手指宽度统计值，以此为参考，设计手指食指部分近指节宽度为20mm，中指节部分宽度为16mm。

本发明辅助手指康复训练外骨骼装置工作原理如下：

1、被动运动阶段

康复系统处于被动康复训练模式时，康复系统提供动力，带动手指做弯曲运动。在实验中，设定永磁直流力矩电机和磁流变液阻尼器协同工作，电机提供20N的动力，以0.5R/S的速度做0.7R的正反转，实现手指0 ~ 90°的弯曲运动，由于电机具有超调性特征，要经过上下波动过度到稳定状态，磁流变液各参数能够平滑地过度到稳定状态，因此用磁流变液组合电机作为力反馈设备，可以防止电机在调速过程中的波动对手指造成伤害，编码器作为位置传感器，用来检测位置信息，传递给控制器，通过计算手指弯曲的角度，经过控制算法处理，分别控制电机和阻尼器，使其产生相应的力矩，实现人机交互的康复训练，对于严重中风的患者，往往没有做主动康复训练的能力，需要在康复训练系统的辅助下完成手指的弯曲训练，在这种运动模式下，磁流变液力反馈驱动器和直流力矩电机组合成动力系统，通过钢丝绳传动带动弯曲关节结构中滑块的做前后滑动运动，与滑块相连的曲柄随之运动，带动中指节块做弯曲运动，实现手指的弯曲运动康复训练。

2、主动运动阶段

康复系统处于主动康复训练模式时，磁流变液初始化状态为提供最大阻尼力。当手指的弯曲动作产生一个力矩，当传动梁上的力传感器检测到有力矩信息，将信息反馈到微控器，微控器根据接收力矩的大小，发送一个控制命令信号，控制电机和阻尼器协调输出相应力矩，力矩通过钢丝绳传动到手指部分，带动手指做弯曲运动，实现人机交互康复训练。对于处于恢复阶段的患者，已经具有了主动做康复训练的能力，此时康复训练系统可以作为阻力部分，提高康复训练的难度。

Claims (6)

1.一种主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，包括力反馈驱动器以及手指外骨骼机构，其中力反馈驱动器包括壳体以及设置在壳体两端的电机（3）和磁流变液阻尼器（2），其特征在于：在所述电机（3）和磁流变液阻尼器（2）之间通过联轴器连接有一转动轮（5），在该转动轮（5）上缠绕有一牵引绳（312）；所述的手指外骨骼机构包括支架（38）、设置在支架（38）上端的直线导轨（36）以及设置在支架下端的手指固定结构，在所述的直线导轨（36）上设置有滑块（35），该滑块（35）与所述的牵引绳（312）连接；在所述的滑块（35）上固定有一第一连接块（34），在第一连接块（34）的下端转动连接有一L型的曲柄（32），曲柄（32）的另一端转动连接有一中指节块（31），该中指节块（31）另一端通过第二连接块（313）连接在所述的手指固定结构上。

2.根据权利要求1所述的主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，其特征在于：在所述的直线导轨（36）的末端还设置有一滑轮（37），所述的牵引绳（312）绕过该滑轮（37）并与所述的滑块（35）连接。

3.根据权利要求1或2所述的主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，其特征在于：所述的手指固定结构包括近指节块（311）和指环（39），所述指环（39）固定在所述近指节块（311）上。

4.根据权利要求3所述的主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，其特征在于：所述的壳体由底板（11）及固定在底板（11）上的右支架（9）、左支架（10）和挡板（8）组成，在所述的右支架（9）的另一端固定用作角度传感器的编码器（1）；在所述的曲柄（32）上装有力传感器（310）。

5.根据权利要求1所述的主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，其特征在于：所述的曲柄（32）与中指节块（31）之间，以及曲柄（32）与连接块（34）之间通过轴承（33）相连。

6.根据权利要求1所述的主/被动驱动器联合驱动的外骨骼式手指康复训练装置，其特征在于：所述的滑块（35）和直线导轨（36）为MR微型滚柱线性滑块和导轨。

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